热电机能超越1962以来文献记载最高值，迷信家晋升拓扑资料高温热电机能，冲破高程度热电机能对超导磁体的依附 起源：DeepTech深科技克日，重庆年夜学潘瑜教学跟配合者初次在高温（~180K）下实现了高达 1.7±0.2 的热电优值，其在液氮温度邻近到室温的宽温区（100K–300K）均可表示出 1 以上的磁热电优值，这为高温热电制冷技巧带来了全新的机会。值得留神的是，上一个实现 1 以上磁热电优值的论文结果仍旧停顿在 60 年前。同时，她跟配合者进一步明白了最优热电机能所需的外磁场与温度的依附关联。经由过程对照此前结果，潘瑜等人发明最高热电优值所需的外磁场随温度下降而明显下降，而本次结果中 180K 以下的优良热电优值所需磁场仅为 0.7 特斯拉。这标明在高温前提下，无望经由过程永磁体实现明显加强的磁热电机能，也象征着拓扑资料的磁场加强热电机能对高温热电制冷范畴存在严重潜力。别的，基于拓扑资料的狄拉克能带散布跟磁场下电子盘旋频率以及能带构造的变更，潘瑜跟配合者在本次研讨中阐释了磁场加强拓扑资料塞贝克效应的物理机制。实践剖析成果表现：在本次系统之中，线性色散能带构造、高迁徙率以及磁场下能带塞曼劈裂效应，对实现磁场加强塞贝克效应存在主要感化。图 | 潘瑜（起源：潘瑜）在利用远景上，热电技巧能够实现热能跟电能的彼此直接转换，在温差发电、固态制冷跟控温等范畴存在主要利用代价，而且存在无活动部件、无噪声、牢靠性高、呼应快等长处。潘瑜表现，本次研讨聚焦于高迁徙率拓扑资料，其应用外磁场取得了高温热电机能的年夜幅晋升，实现了 300K 以下的优良热电机能，同时所须要的磁场小于 1 特斯拉，这冲破了此前拓扑资料高程度热电机能对年夜磁场特殊是超导磁体的依附。因而，该结果在固态高温热电制冷及控温范畴存在利用远景。（起源：Nature Materials）种下一颗“拓扑”的兴致种子从 2013 年读博时起，潘瑜开端研讨热电资料。其博士课题重要缭绕碲化铋（Bi2Te3）这一热电资料系统开展。该资料系统是室温邻近最经典的热电资料，后被学界证实是拓扑绝缘体。自当时起，潘瑜内心就种下一颗“拓扑”的兴致种子。2018 年博士结业之后，潘瑜开端在博士后阶段深刻摸索拓扑资料的热电输运特征。离开新的试验室之后，潘瑜进一步发明拓扑资料研讨在凝集态物理范畴遭到高度存眷。2018 年，来自中国迷信技巧年夜学的研讨职员发明磁场能够将 Cd3As2 拓扑半金属的热电优值晋升 6 倍。同年，来自美国麻省理工学院的研讨职员在一篇实践论文中指出，拓扑半金属中能够实现不饱跟磁塞贝克效应。这些研讨极年夜激起了潘瑜的研讨兴致。但是，这些结果所须要的磁场都较年夜，远远超越永磁体可能满意的范畴，甚至于限度了它们的利用代价。为了年夜幅晋升低磁场下的热电机能，潘瑜开端着眼于一些存在极高迁徙率跟明显磁呼应热电机能的拓扑半金属资料，以及存在变态热电输运转为的磁性拓扑半金属资料。时期，潘瑜实验过不少新兴拓扑半金属系统，发明拓扑半金属存在十分好的横向热电机能，包含惯例能斯特热电效应跟变态能斯殊效应。但是，因为拓扑半金属自然存在电子、空穴两种载流子，使得年夜少数拓扑半金属的塞贝克热电势不高。因而，能否可能将拓扑半金属的响应实践利用到拓扑绝缘体中，同时应用拓扑绝缘体超高迁徙率跟单一载流子传输特征，从而实现低磁场下热电机能的明显晋升，便成为她发展本次研讨的动身点。而 Bi88Sb12作为首个拓扑绝缘体与高温热电资料，也很天然地成为本次研讨的重点存眷系统。（起源：Nature Materials）热电机能超越 1962 年文献最高值如前所述，早在 1960 年月已有论文报道 Bi88Sb12 合金的优良热电机能。但在后续该系统，却并不像 Bi2Te3 等经典资料一样在热电范畴取得连续跟普遍的存眷。同时，晚期文献中缺掉了良多相干细节，招致磁场加强热电机能的机制仍旧不甚清楚。别的，晚期文献也未能将该资料的能带拓扑性子与磁热电输运转为接洽起来。因而，潘瑜定下本次课题的主意十分简略：即 Bi88Sb12 合金作为一个经典系统其存在极高的迁徙率，而且是首个三维拓扑绝缘体。基于这集体系发展研讨，无望更好地舆解能带的拓扑性子与特别的热电输运性子之间的关系，从而为计划新资料系统供给思绪。然而，当潘瑜真正开端研讨这集体系之后才发明，Bi 与 Sb 在恣意比例之下都能够构成固溶体，而且存在十分年夜的偏析系数，因而应用个别的单晶成长方式很难成长出身分均一的高品质单晶，这就会招致无奈失掉幻想的热电机能。也就是说，制备高品质单晶成为本次研讨的第一只拦路虎，半途潘瑜实验过良多手腕但都一直不得法。厥后，本次论文的配合者贺彬博士事先也在基于这一系统做研讨，于是潘瑜跟他一同配合，经由过程相互分享单晶成长的细节教训，终于成长出来高品质的单晶。因为他们所成长的单晶是厘米级的长条状，因而须要将单晶切割为毫米级的长方体，以便用于输运性子的测试。该系统存在明显的各向异性特色，其迁徙率跟热电机能均沿（111）晶相最高，以是须要沿此偏向将单晶切割为一个长方体样品，以便用于输运性子的测试。而单晶的解理面刚好为（111）面，这使得样品在切割进程中常常产生解离、断裂。厥后阅历屡次掉败之后，她才进步了样品筹备的胜利率。测试阶段则算比拟顺遂，成果也很鼓励民气。在第一个样品的输运测试成果中，她就看到了明显的磁呼应塞贝克热电效应，同时迁徙率也很高。“我记得第一个样品的热电机能就超越了 1962 年的文献最高值，事先我很冲动，不只是由于取得了一个高机能，而是由于这标明该系统另有更多值得发掘的外延，而且磁热电机能另有望进一步晋升。”潘瑜说。（起源：Nature Materials）在将来打算上潘瑜将针对以下三个方面发展研讨。一是制备对应的 p-型资料：经由过程本次研讨她发明了优良的 n-型资料，而 p-型资料从能带构造上亦存在线性色散的狄拉克能带，实践上无望取得明显的磁呼应热电机能。二是发展物理机制研讨与新资料计划：本次研讨证实在拓扑资料中能够经由过程低磁场实现热电机能的明显加强，证实了拓扑资料在热电范畴的潜力，后续潘瑜盼望能在更多的拓扑资料系统中摸索优良的热电输运机能。三是热电器件制备与热电转换效力摸索：即其盼望可能从器件制备的角度摸索该系统的热电转换效力，推动该系统在热电范畴的利用。与此同时，她弥补称比年来越来越多的研讨标明，拓扑资料因其奇特的能带构造表示出离奇的热电输运转为，包含本任务波及的磁呼应塞贝克热电效应、以及非磁性拓扑半金属的能斯殊效应跟磁性拓扑半金属的变态能斯殊效应等，这惹起了凝集态物理范畴与热电资料范畴的存眷，也很好地表现了物理与资料的学科穿插性。“本次任务是我此前博士后任务的连续，当初我回到海内自力建组，我跟团队将持续摸索拓扑物理与热电范畴的亲密关联，等待做出更多有意思的任务。”潘瑜最后表现。参考材料：1.Pan, Y., He, B., Feng, X.et al. A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12. Nat. Mater. 24, 76–82 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02059-9经营/排版：何晨龙